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激光打標(biāo)工作原理的分析
點(diǎn)擊次數(shù)：2159 發(fā)布時間：2010-7-16
激光標(biāo)記印刷也稱激光打標(biāo)、激光印標(biāo)，近年來在印刷領(lǐng)域，如包裝印刷、票據(jù)印刷、防偽標(biāo)識印刷中的應(yīng)用越來越多，有些已用于聯(lián)機(jī)生產(chǎn)。
基本原理：
激光打標(biāo)是用激光束在各種不同的物質(zhì)表面打上*的標(biāo)記。打標(biāo)的效應(yīng)是通過表層物質(zhì)的蒸發(fā)露出深層物質(zhì)，或者是通過光能導(dǎo)致表層物質(zhì)的化學(xué)物理變化而"刻"出痕跡，或者是通過光能燒掉部分物質(zhì)，顯出所需刻蝕的圖案、文字。
目前，*的原理是兩種：
"熱加工"具有較高能量密度的激光束（它是集中的能量流），照射在被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生熱激發(fā)過程，從而使材料表面（或涂層）溫度上升，產(chǎn)生變態(tài)、熔融、燒蝕、蒸發(fā)等現(xiàn)象。
"冷加工"具有很高負(fù)荷能量的（紫外）光子，能夠打斷材料（特別是有機(jī)材料）或周圍介質(zhì)內(nèi)的化學(xué)鍵，至使材料發(fā)生非熱過程破壞。這種冷加工在激光標(biāo)記加工中具有特殊的意義，因?yàn)樗皇菬釤g，而是不產(chǎn)生"熱損傷"副作用的、打斷化學(xué)鍵的冷剝離，因而對被加工表面的里層和附近區(qū)域不產(chǎn)生加熱或熱變形等作用。例如，電子工業(yè)中使用*在基底材料上沉積化學(xué)物質(zhì)薄膜，在半導(dǎo)體基片上開出狹窄的槽。
激光標(biāo)記印刷原理：
激光標(biāo)記印刷是通過激光打標(biāo)機(jī)實(shí)現(xiàn)圖文印刷的，其基本原理是，由激光發(fā)生器生成高能量的連續(xù)激光光束，當(dāng)激光作用于承印材料時，處于基態(tài)的原子躍遷到較高能量狀態(tài)；處于較高能量狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，會很快回到基態(tài)，當(dāng)原子返回基態(tài)時，會以光子或量子的形式釋放出額外的能量，并由光能轉(zhuǎn)換為熱能，使表面材料瞬間熔融，甚至氣化，從而形成圖文標(biāo)記。
1．激光發(fā)生器
下文將以氪燈激光打標(biāo)系統(tǒng)為例，說明激光發(fā)生器的原理。氪燈通電后，以20kV的高壓擊穿氪燈中的氪氣后，電源自動轉(zhuǎn)換輸出電壓為100V（），維持氪燈連續(xù)的弧光放電。在激光發(fā)生器中，氪燈位于橢圓形聚光腔的1個焦點(diǎn)上，氪燈產(chǎn)生的弧光經(jīng)聚光腔反射后，再全部聚焦在另一個焦點(diǎn)--晶體釔鋁石榴石 （YAG）上，YAG吸收泵浦光后，形成波長為1060nm的連續(xù)激光，連續(xù)激光在諧振腔中垂直于光軸的前鏡和后鏡間往返振蕩，并從前鏡輸出。
2．打標(biāo)原理
射頻驅(qū)動器（RFDriver）控制Q-開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，連續(xù)激光在Q-開關(guān)的作用下，變成峰值功率達(dá)110kW的脈沖光波，經(jīng)過光孔的脈沖光達(dá)到閾值后，由諧振腔輸出到達(dá)擴(kuò)束鏡，光束經(jīng)擴(kuò)束鏡放大后傳輸?shù)綊呙桤R，由伺服電機(jī)帶動X軸、Y軸方向的掃描鏡片旋轉(zhuǎn)進(jìn)行光掃描，zui后經(jīng)平面聚焦場將激光的功率進(jìn)一步放大后，聚焦在工作平面上進(jìn)行打標(biāo)。整個過程由計算機(jī)按程序控制。
3．激光打標(biāo)的特點(diǎn)
激光打標(biāo)機(jī)因其特殊的工作原理，與傳統(tǒng)標(biāo)記方式（移印、噴碼、電腐蝕等）相比，具有許多*性；
1）非接觸加工
可在任何規(guī)則或不規(guī)則表面打印標(biāo)記，且打標(biāo)后工件不會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；
2）材料適用面廣
可在金屬、塑料、陶瓷、玻璃、紙張、皮革等不同種類或不同硬度的材料上打??；
3）可與生產(chǎn)線上的其他設(shè)備集成，提高生產(chǎn)線的自動化程度；
4）標(biāo)記清晰、持久、美觀，并可有效防偽；
5）使用壽命長、無污染；
6）運(yùn)行成本低
打標(biāo)速度快且標(biāo)記一次成型，能耗小，因而運(yùn)行成本低。
雖然激光打標(biāo)機(jī)的設(shè)備投資比傳統(tǒng)標(biāo)記設(shè)備大，但從運(yùn)行成本而言，使用激光打標(biāo)機(jī)要低得多。
①塑封三極管打標(biāo)：打標(biāo)機(jī)工作速度為10個/秒，若設(shè)備折舊以5年計算，打標(biāo)費(fèi)用為0.00048元/個。如果使用移印機(jī)，其綜合運(yùn)行成本約為0.002元/個，甚至更高。
②軸承表面打標(biāo)：若軸承三等分打字，總共18個4號字，采用振鏡式打標(biāo)機(jī)，以氪燈燈管的使用壽命為700小時計算，則每個軸承的打標(biāo)綜合成本為 0.00915元。電腐蝕刻字的成本約為0.015元/個。以年產(chǎn)量400萬套軸承計算，僅打標(biāo)一項(xiàng)，1年zui少可以降低成本約6.5萬元。
7）加工效率高
計算機(jī)控制下的激光光束可以高速移動（速度達(dá)5～7米/秒），打標(biāo)過程可在數(shù)秒內(nèi)完成。1個標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)鍵盤的印字可在12秒內(nèi)完成。激光打標(biāo)系統(tǒng)均配有計算機(jī)控制系統(tǒng)，可以與高速流水線靈活配合。
8）開發(fā)速度快
由于激光技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，用戶只要在計算機(jī)上編程即可實(shí)現(xiàn)激光打印輸出，并可隨時變換打印設(shè)計，從根本上替代了傳統(tǒng)的模具制作過程，為縮短產(chǎn)品升級換代周期和柔性生產(chǎn)提供了便利工具。
9）加工精度高
激光能以極細(xì)的光束作用于材料表面，zui細(xì)線寬可達(dá)到0.05mm。為精密加工和增加防偽功能開創(chuàng)了寬廣的應(yīng)用空間。
激光印標(biāo)能滿足在極小的塑料制件上印制大量數(shù)據(jù)的需要。例如，可印制要求更，清晰度更高的二維條碼，與壓印或噴射打標(biāo)方式相比，有更強(qiáng)的市場競爭力。
10）維護(hù)成本低
激光打標(biāo)是非接觸式打標(biāo)，不像模版印標(biāo)工藝有使用壽命的限制，在批量加工中的維護(hù)成本極低。
11）具有環(huán)保性
激光打標(biāo)為非接觸式打標(biāo)，節(jié)約能源，相對于腐蝕法，避免了化學(xué)污染；相對于機(jī)械式打標(biāo)，也可減少噪聲污染。
4．激光標(biāo)記的應(yīng)用范圍：
適用于鋼、不含鐵金屬、合金和無機(jī)物打標(biāo)，及陶瓷、鉆石和硅質(zhì)材料的微加工。目前激光打標(biāo)技術(shù)的應(yīng)用包括ABS鍵盤，HDPE、PP、PET和PVC剛性容器和容器蓋，尼龍和PBT元器件，HDPE開關(guān)按鈕，PVC管件等的標(biāo)記印刷。
光纖激光標(biāo)刻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。方框a內(nèi)是光纖激光器，是激光標(biāo)刻系統(tǒng)的核心，它采用多個小功率風(fēng)冷激光二極管作為泵浦源，通過多分枝耦合進(jìn)單根激光光纖，以摻稀土元素（Nd，Yb或者Er）光纖作為激光介質(zhì)，以反射鏡，光纖光柵作為諧振腔，可脈沖和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。新型光纖激光器具有單模輸出，散熱特性好，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，特別適合高精度的激光標(biāo)刻工業(yè)。
典型的10-100KHz高重復(fù)率工作，10W-20W平均功率輸出的光纖激光器成品的體積僅有22′25′10cm,而且沒有水冷系統(tǒng)，體積大為縮小。因?yàn)榧す舛O管是低電壓工作，光纖激光器的電光效率高達(dá)70％，驅(qū)動電源的大小與燈泵Nd-YAG激光器相比是微不足道的。
光纖激光器應(yīng)用于激光標(biāo)刻的優(yōu)勢：
1．光束質(zhì)量好，接近衍射極限。TEM00基橫模輸出，M2接近1，光束發(fā)散角為0.24mrad；
2．脈沖重復(fù)頻率高，輸出功率穩(wěn)定，單脈沖能量波動小于1％，從而可實(shí)現(xiàn)高速激光標(biāo)刻，還可控制光斑的大小，深度，形狀；
3．率，插頭效率高達(dá)20％，電光轉(zhuǎn)換效率可達(dá)70％；
4．環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可在高震動，高濕度的環(huán)境下連續(xù)正常工作。
5．無水冷裝置，體積小，效率高，可靠性高，長時間免維修，節(jié)約使用成本。
b是激光二級光驅(qū)動電源。c光纖激光器控制器，用于控制光纖激光器的工作狀態(tài)，同時，打標(biāo)機(jī)的控制微機(jī)通過它控制激光輸出。d為振鏡系統(tǒng),是光纖激光打標(biāo)系統(tǒng)的重要部件，激光通過振鏡的運(yùn)動，在需打標(biāo)的部件上走出特定的軌跡。e是f-q鏡，激光束通過它聚焦到工件表面。
在振鏡系統(tǒng)工作流程中。振鏡系統(tǒng)內(nèi)部共有兩塊分別由高精度伺服電機(jī)驅(qū)動的反射鏡。伺服電機(jī)在微機(jī)的控制下分別轉(zhuǎn)動兩塊反射鏡的角度，激光束通過這兩塊反射鏡的反射，由f-q鏡聚焦到工件的不同位置上。在微機(jī)上通過的打標(biāo)控制軟件輸入需要標(biāo)刻的文字及圖樣，設(shè)定文字及圖樣的大小，總的標(biāo)刻面積，激光束的行走速度和需要重復(fù)的次數(shù)，振鏡就能在微機(jī)的控制下運(yùn)動，操控激光束在工件上標(biāo)刻出設(shè)定的文字和圖樣。
計算機(jī)打標(biāo)軟件能夠識別采集通過數(shù)碼相機(jī)或掃描儀輸入，因特網(wǎng)上下載和電腦中制作的任何復(fù)雜的平面圖像圖形文字以及二維碼和條形碼，制作多種標(biāo)記，將其變換成數(shù)字信號，經(jīng)編程計算轉(zhuǎn)換成電流控制信號再輸入驅(qū)動器，形成相應(yīng)的控制信號并通過D/A卡控制高精度伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而分別控制對x方向及y方向上反射振鏡偏轉(zhuǎn)角度，使激光束聚焦光斑按照設(shè)定的圖案，文字軌跡運(yùn)動，在工件表面刻蝕形成*刻痕。刻劃線寬可以達(dá)到20微米量級，且軟件具有自動圖象失真矯正功能，能夠?qū)崿F(xiàn)精密圖像的標(biāo)刻。